Technika wolna od powietrza - Air-free technique

Techniki wolna od powietrza, znajduje się w zakresie manipulacji w chemii laboratorium do przenoszenia substancji , które wrażliwych na powietrze . Techniki te zapobiegają reakcji związków ze składnikami powietrza , zwykle z wodą i tlenem ; rzadziej dwutlenek węgla i azot . Typowym motyw spośród tych technik jest stosowanie grzywny (10 0 -10 -3 torr) lub wysoki (10 -3 -10 -6 torr) próżni , aby usunąć powietrze i użycie gazu obojętnego : korzystnie argonu , ale często azot .

Dwa najczęstsze typy technik bez powietrza obejmują użycie komory rękawicowej i linii Schlenka , chociaż niektóre rygorystyczne zastosowania wykorzystują linię wysokiego podciśnienia. W obu metodach szkło (często rurki Schlenka ) jest suszone w piekarniku przed użyciem. Mogą być suszone płomieniowo w celu usunięcia zaadsorbowanej wody. Przed wejściem do atmosfery obojętnej naczynia są dalej suszone przez płukanie i ponowne napełnianie - naczynie jest poddawane działaniu próżni w celu usunięcia gazów i wody, a następnie ponownie napełniane gazem obojętnym. Cykl ten jest zwykle powtarzany trzykrotnie lub podciśnienie jest stosowane przez dłuższy czas. Jedną z różnic między stosowaniem schowka podręcznego a linią Schlenka jest zastosowanie cyklu przedmuchu i ponownego napełnienia . W przypadku korzystania ze schowka w desce rozdzielczej, przedmuch i ponowne napełnienie stosuje się do śluzy przymocowanej do schowka podręcznego, zwanego potocznie „portem” lub „przed komorą”. W przeciwieństwie do przewodu Schlenka, przepłukiwanie i ponowne napełnianie jest przeprowadzane bezpośrednio do naczynia reakcyjnego przez wąż lub złącze ze szkła szlifowanego, które jest połączone z kolektorem.

Pudełko na rękawiczki

Zwykły schowek na rękawiczki, pokazujący dwie rękawice do manipulacji, ze śluzą po prawej stronie.

Najprostszą techniką wolną od powietrza jest użycie schowka podręcznego . Torba rękawica wykorzystuje ten sam pomysł, ale jest zazwyczaj uboższe substytutem, ponieważ jest to trudniejsze do czystki i mniej dobrze uszczelnione. Istnieją pomysłowe sposoby uzyskiwania dostępu do przedmiotów poza zasięgiem rękawic, takie jak użycie szczypiec i sznurków. Główne wady korzystania ze schowka podręcznego to koszt schowka w rękawicach i ograniczona zręczność podczas noszenia rękawic.

W komorze rękawicowej często można ustawić i obsługiwać konwencjonalny sprzęt laboratoryjny, pomimo konieczności obsługi aparatu w rękawiczkach. Zapewniając szczelną, ale recyrkulującą atmosferę gazu obojętnego, komora rękawicowa wymaga kilku innych środków ostrożności. Zanieczyszczenie krzyżowe próbek ze względu na złą technikę jest również problematyczne, zwłaszcza gdy komora rękawicowa jest współdzielona przez pracowników używających różnych odczynników, w szczególności lotnych .

Dwa style wyewoluowały w stosowaniu komór rękawicowych w chemii syntetycznej . W bardziej konserwatywnym trybie służą wyłącznie do przechowywania, ważenia i przenoszenia odczynników wrażliwych na powietrze . Następnie reakcje przeprowadza się technikami Schlenka. W związku z tym komory rękawicowe są używane tylko w najbardziej wrażliwych na powietrze etapach eksperymentu. W bardziej liberalnym zastosowaniu komory rękawicowe są wykorzystywane do wszystkich operacji syntezy, w tym reakcji w rozpuszczalnikach, obróbki i przygotowania próbek do spektroskopii.

Nie wszystkie odczynniki i rozpuszczalniki nadają się do stosowania w komorze rękawicowej, chociaż różne laboratoria stosują różne kultury. „Atmosfera pudełkowa” jest zwykle odtleniana w sposób ciągły przez katalizator miedziowy. Niektóre lotne chemikalia, takie jak związki chlorowcowane i szczególnie silnie koordynujące związki, takie jak fosfiny i tiole, mogą być problematyczne, ponieważ nieodwracalnie zatruwają katalizator miedziowy. Z tego powodu wielu eksperymentatorów decyduje się na obróbkę takich związków za pomocą technik Schlenka. Przy bardziej liberalnym zastosowaniu komór rękawicowych przyjmuje się, że katalizator miedziany będzie wymagał częstszej wymiany, ale koszt ten uważa się za akceptowalny kompromis dla wydajności przeprowadzenia całej syntezy w chronionym środowisku.

Linia Schlenka

Główny artykuł: linia Schlenka
Linia Schlenk z czterema portami.

Druga główna technika przygotowania i podawania związków wrażliwych na powietrze wiąże się z zastosowaniem linii Schlenka. Główne techniki obejmują:

  • dodatki przeciwprądowe, w których odczynniki stabilne w powietrzu są dodawane do naczynia reakcyjnego w kierunku przeciwnym do przepływu gazu obojętnego.
  • stosowanie strzykawek i gumowych przegród (korków, które ponownie uszczelniają się po nakłuciu) do przenoszenia płynów i roztworów
  • transfer kaniuli , w którym płyny lub roztwory odczynników wrażliwych na powietrze są przenoszone między różnymi naczyniami zamkniętymi przegrodami przy użyciu długiej cienkiej rurki zwanej kaniulą. Przepływ cieczy uzyskuje się za pomocą próżni lub ciśnienia gazu obojętnego.
    Kaniula służy do przenoszenia THF z kolby po prawej stronie do kolby po lewej stronie.

Naczynia szklane są zwykle łączone za pomocą ciasnych i nasmarowanych szklanych połączeń . Okrągłe kolanka rurki szklanej ze szlifem szklanym mogą służyć do regulacji orientacji różnych naczyń. Filtrację można przeprowadzić za pomocą dedykowanego sprzętu.

Powiązane preparaty

Do większości zastosowań odpowiedni jest dostępny w handlu oczyszczony gaz obojętny (argon lub azot). Jednak w niektórych zastosowaniach konieczne jest dalsze usuwanie wody i tlenu. To dodatkowe oczyszczanie można przeprowadzić przez poprowadzenie przewodu gazu obojętnego przez ogrzewaną kolumnę katalizatora miedzianego , który przekształca tlen w tlenek miedzi. Wodę usuwa się, przepuszczając gaz przez kolumnę środka osuszającego, takiego jak pięciotlenek fosforu lub sita molekularne.

Niezbędne są również rozpuszczalniki wolne od powietrza i wody. Jeśli rozpuszczalniki o wysokiej czystości są dostępne w oczyszczonych azotem Winchesters , można je wprowadzić bezpośrednio do schowka podręcznego. Do użytku z techniką Schlenka można je szybko wlać do kolb Schlenka wyposażonych w sita molekularne i odgazować . Bardziej typowo rozpuszczalnik jest dozowany bezpośrednio z kolumny destylacyjnej lub kolumny do oczyszczania rozpuszczalnika.

Odgazowanie

Zobacz także: odgazowanie

Powszechne są dwie procedury odgazowywania. Pierwsza jest znana jako zamrażanie-pompa-rozmrażanie - rozpuszczalnik zamraża się w ciekłym azocie i stosuje się próżnię. Następnie zawór odcinający jest zamykany, a rozpuszczalnik rozmrażany w ciepłej wodzie, umożliwiając ujście uwięzionych pęcherzyków gazu.

Druga procedura polega po prostu na poddaniu rozpuszczalnika działaniu próżni. Przydatne jest mieszanie lub wstrząsanie mechaniczne za pomocą ultradźwięków . Rozpuszczone gazy wydzielają się jako pierwsze; gdy rozpuszczalnik zacznie parować, co zostanie zauważone przez kondensację na zewnątrz ścianek kolby, kolbę napełnia się ponownie gazem obojętnym. Obie procedury powtarza się trzykrotnie.

Wysuszenie

Po ogrzaniu do wrzenia pod chłodnicą zwrotną z sodem i benzofenonem w celu usunięcia tlenu i wody, toluen jest destylowany w atmosferze gazu obojętnego do odbieralnika.

Rozpuszczalniki są głównym źródłem zanieczyszczeń w reakcjach chemicznych. Chociaż tradycyjne techniki suszenia obejmują destylację z agresywnego osuszacza , sita molekularne są o wiele lepsze.

Suszenie toluenu
Środek suszący Czas suszenia Zawartość wody
nieleczony 0 godz 225 ppm
Sód / benzofenon 48 godz 31 ppm
Sita molekularne 3 Å 24 godz 0,9 ppm

Oprócz tego, że jest nieefektywny, sód jako środek osuszający (poniżej jego temperatury topnienia) reaguje powoli ze śladowymi ilościami wody. Gdy jednak środek osuszający jest rozpuszczalny, szybkość suszenia jest przyspieszona, chociaż nadal jest niższa niż w przypadku sit molekularnych. Do wytworzenia takiego rozpuszczalnego środka suszącego często stosuje się benzofenon . Zaletą tego zastosowania jest intensywnie niebieski kolor anionu rodnika ketylowego . Zatem sód / benzofenon może być stosowany jako wskaźnik wolnych od powietrza i wilgoci warunków oczyszczania rozpuszczalników metodą destylacji.

Kotły destylacyjne stanowią zagrożenie pożarowe i są coraz częściej zastępowane przez alternatywne systemy suszenia rozpuszczalnikiem. Popularne są systemy do filtracji odtlenionych rozpuszczalników przez kolumny wypełnione aktywowanym tlenkiem glinu .

Suszenie ciał stałych można osiągnąć przez przechowywanie ciała stałego nad środkiem suszącym, takim jak pięciotlenek fosforu ( P
2 O
5 ) lub żel krzemionkowy , przechowywanie w suszarce / suszarce próżniowej, ogrzewanie w wysokiej próżni lub w pistolecie suszącym lub w celu usunięcia śladowych ilości wody, po prostu przechowując ciało stałe w komorze rękawicowej, która ma suchą atmosferę.

Alternatywy

Obie te techniki wymagają raczej drogiego sprzętu i mogą być czasochłonne. Tam, gdzie wymagania dotyczące braku powietrza nie są rygorystyczne, można zastosować inne techniki. Na przykład, można użyć protektorowego nadmiaru odczynnika, który reaguje z wodą / tlenem. W efekcie nadmiar protektorowy „wysusza” reakcję przez reakcję z wodą (np. W rozpuszczalniku). Jednak ta metoda jest odpowiednia tylko wtedy, gdy zanieczyszczenia wytwarzane w tej reakcji nie są z kolei szkodliwe dla pożądanego produktu reakcji lub można je łatwo usunąć. Zwykle reakcje z takim nadmiarem protektorowym są skuteczne tylko wtedy, gdy prowadzi się reakcje na dość dużą skalę, tak że ta reakcja uboczna jest pomijalna w porównaniu z pożądaną reakcją produktu. Na przykład, podczas przygotowywania odczynników Grignarda , magnez (najtańszy odczynnik) jest często używany w nadmiarze, który reaguje, usuwając śladowe ilości wody, albo poprzez reakcję bezpośrednio z wodą, dając wodorotlenek magnezu, albo poprzez tworzenie się odczynnika Grignarda in situ, który z kolei reaguje z wodą (np. R-Mg-X + H 2 O → HO-Mg-X + RH). Aby utrzymać powstałe „suche” środowisko, zwykle wystarczy podłączyć rurkę ochronną wypełnioną chlorkiem wapnia do chłodnicy zwrotnej w celu spowolnienia powrotu wilgoci do reakcji w czasie lub podłączyć linię gazu obojętnego .

Suszenie można również osiągnąć stosując desykanty in situ, takie jak sita molekularne , lub stosując techniki destylacji azeotropowej , np. Z aparatem Dean-Stark .

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Duward F. Shriver i MA Drezdzon „Manipulacja związkami wrażliwymi na powietrze” 1986, J. Wiley and Sons: New York. ISBN   0-471-86773-X .
  2. ^ Johansen, Martin B .; Kondrup, Jens C .; Zawias, Mogens; Lindhardt, Anders T. (13 czerwca 2018). „Zwiększone bezpieczeństwo podczas przenoszenia piroforycznego tert-butylolitu z kolb z uszczelkami ochronnymi”. Badania i rozwój procesów organicznych . 22 (7): 903–905. doi : 10.1021 / acs.oprd.8b00151 .
  3. ^ Brown, HC „Organic Syntheses via Boranes” John Wiley & Sons, Inc. New York: 1975. ISBN   0-471-11280-1 .
  4. ^ „Zamrażanie pompy-rozmrażanie płynów” (PDF) . University of Washington .
  5. ^ Williams, DBG, Lawton, M., „Suszenie rozpuszczalników organicznych: ilościowa ocena wydajności kilku osuszaczy”, The Journal of Organic Chemistry 2010, vol. 75, 8351. doi : 10.1021 / jo101589h
  6. ^ Nathan L. Bauld (2001). „Jednostka 6: Rodniki anionów” . Uniwersytet Teksasu .
  7. ^ WLF Armarego; C. Chai (2003). Oczyszczanie chemikaliów laboratoryjnych . Oksford: Butterworth-Heinemann. ISBN   0-7506-7571-3 .
  8. ^ Pangborn, AB; Giardello, MA; Grubbs, RH; Rosen, RK; Timmers, FJ (1996). „Bezpieczna i wygodna procedura oczyszczania rozpuszczalników”. Metaloorganiczne . 15 (5): 1518–20. doi : 10.1021 / om9503712 .

Linki zewnętrzne

Galeria

  • Trójkąt Perkina : destylacje wrażliwe na powietrze

  • Filtracja bez powietrza

  • Sublimacja bez powietrza

  • Kaniula: zastawka kroplowa

  • Kaniula: dodatkowy zawór upustowy

  • Kaniula: (prosta) bez zaworu upustowego

  • Kaniula: system dwóch kolektorów

  • Kaniula: zawór strzykawki

  • Kranik teflonowy do próbek NMR wrażliwych na powietrze